寬禁帶半導(dǎo)體的本征載流子濃度

田石 劉國(guó)輝

摘 要：列舉了有代表性的寬禁帶半導(dǎo)體本征載流子濃度的理論公式，簡(jiǎn)要敘述了溫度與禁帶寬度變化的關(guān)系，討論了本征載流子濃度對(duì)電力電子器件參數(shù)特性的影響，并通過(guò)與硅材料的對(duì)比說(shuō)明了寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)異性能。

關(guān)鍵詞：寬禁帶半導(dǎo)體；本征載流子；禁帶寬度；電力電子器件

半導(dǎo)體材料的發(fā)展已歷經(jīng)三代，即分別以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的第一、第二代半導(dǎo)體材料，和以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，也稱寬禁帶半導(dǎo)體材料。由于其具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和漂移速度等獨(dú)特的參數(shù)特性，因而在電力電子器件、光電器件、射頻微波器件、激光器和探測(cè)器等方面，顯示出廣闊的發(fā)展前景，已成為目前世界各國(guó)半導(dǎo)體研究的重點(diǎn)。在這其中，電力電子器件是在高電壓、大電流和高溫下工作的，本征載流子濃度等溫度敏感參數(shù)對(duì)器件的特性有著顯著的影響，而寬禁帶半導(dǎo)體材料比硅材料在這方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，了解和把握這一點(diǎn)，對(duì)于研究寬禁帶電力電子器件的參數(shù)特性顯得十分必要。

1 本征載流子濃度的理論公式

根據(jù)半導(dǎo)體物理學(xué)，半導(dǎo)體的本征載流子濃度ni由下式給出：

2 溫度對(duì)禁帶寬度的影響

研究表明：隨著溫度的上升，禁帶寬度將隨之減小。文獻(xiàn)[2]、[4]給出了硅和其它半導(dǎo)體禁帶寬度與溫度之間關(guān)系的表達(dá)式：

文獻(xiàn)[2]給出了不同半導(dǎo)體材料禁帶寬度參數(shù)，見表2。其中Eg（0）為00K時(shí)的禁帶寬度，α、β均為溫度變化系數(shù)。

3 Eg與ni對(duì)電力電子器件參數(shù)特性的影響

3.1 Eg對(duì)擊穿電壓的影響

在描述半導(dǎo)體的雪崩擊穿電壓VB與材料禁帶寬度Eg和雜質(zhì)濃度NB的關(guān)系時(shí)，文獻(xiàn)[5]引用了S.M.Sze公式：

VB=60（Eg/1.1）1.5（NB/1016）-0.75 （8）

對(duì)于p+n結(jié)，當(dāng)NB=1014cm-3時(shí)，分別將Si的Eg=1.12eV、4H-SiC的Eg=3.23eV代入式（8），計(jì)算出Si的雪崩擊穿電壓為1900V，而4H-SiC的雪崩擊穿電壓可達(dá)9500V，是Si的5倍。

3.2 ni對(duì)pn結(jié)反向漏電流的影響

晶閘管等功率半導(dǎo)體器件，其pn結(jié)的反向漏電流決定了器件的高溫阻斷特性。在不考慮表面漏電流的情況下，反向漏電流由pn結(jié)的擴(kuò)散電流和空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電流組成。對(duì)于p+n結(jié)，反向漏電流密度的表達(dá)式為：

由式（9）看出：反向漏電流與本征載流子濃度緊密相關(guān)，由于ni隨溫度而顯著變化，因而它決定了高溫時(shí)功率器件的漏電流。采用φ75ZP型整流管的數(shù)據(jù)，并取423K時(shí)表1中式（4）、式（5）的ni值代入式（9），計(jì)算出Si器件的漏電流為78.7mA，而4H-SiC器件的漏電流僅為1.03×10-11mA；當(dāng)T=873K時(shí)，計(jì)算出4H-SiC器件的漏電流也僅為0.6mA。

3.3 ni對(duì)器件耐壓極限和結(jié)溫極限的影響

絕大部分功率半導(dǎo)體器件都是依靠pn結(jié)的反向阻斷特性來(lái)承受耐壓的。對(duì)于襯底濃度為NB的pn結(jié)來(lái)說(shuō)，ni=NB是非常重要的一個(gè)臨界值[6]，當(dāng)ni>NB時(shí)，pn結(jié)將失去反向阻斷能力。ni=NB時(shí)的溫度被規(guī)定為工作結(jié)溫的極限值[2]。根據(jù)擊穿電壓VB與摻雜濃度NB的關(guān)系，當(dāng)確定了擊穿電壓時(shí)，就限定了最高的NB值，也就同時(shí)限定了最高的ni值及其所對(duì)應(yīng)的極限工作結(jié)溫。采用文獻(xiàn)[1]給出的p+n結(jié)擊穿電壓VB與摻雜濃度NB的關(guān)系式：

并采用公式（4）、（5）分別計(jì)算了Si和4H-SiC不同溫度下NB=ni時(shí)的VB值，列于表3。由表3看出，Si材料的pn結(jié)當(dāng)溫度大于600K的本征溫度時(shí)[5]，已失去作為功率器件的阻斷高電壓的能力，而4H-SiC材料的pn結(jié)在873K時(shí)，擊穿電壓的理論極限仍可達(dá)107V的數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

寬禁帶半導(dǎo)體有著更寬的禁帶寬度，在相同溫度下，有著遠(yuǎn)小于硅材料的本征載流子濃度，這將使寬禁帶電力電子器件具有遠(yuǎn)大于硅器件的擊穿電壓和更高的工作結(jié)溫，并具有遠(yuǎn)小于硅器件的漏電流?？梢灶A(yù)見，集諸多優(yōu)異特性于一身的寬禁帶半導(dǎo)體材料，必將帶來(lái)電力電子器件的一場(chǎng)深刻革命。

參考文獻(xiàn)

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[3][俄]萊文斯坦（Levinshtein，M·E）etal.先進(jìn)半導(dǎo)體材料性能與數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].楊樹人，殷景志譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4]鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]陳治明，李守智.寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[6]潘福泉，關(guān)艷霞.再議pin器件的極限雪崩電壓[J].變頻技術(shù)應(yīng)用，2012，7（6）：49-51.